为了实现这一目标，研究人员开发了一种方法来驯服喜怒无常的神经末梢，将粗的神经束分离成更小的纤维，以实现更精确的控制，并放大通过这些神经发出的信号。这种方法包括微小的肌肉移植机器学习借鉴自脑机接口字段。“这是多年来截肢患者在运动控制方面取得的最大进步，”密歇根大学医学院(U-M Medical School)整形外科罗伯特·奥尼尔(Robert Oneal)学院教授、生物医学工程教授保罗·塞德尔纳(Paul Cederna)说。“我们已经开发了一种技术，可以利用患者残肢的神经来控制单个手指的假肢设备。有了它，我们就能够提供一些世界上最先进的假肢控制。”
Cederna与密歇根大学工程学院生物医学工程副教授Cindy Chestek共同领导了这项研究。在《科学转化医学》上发表的一篇论文中，他们描述了四名使用Mobius Bionics LUKE手臂的研究参与者的结果。
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直观的假肢控制工作在第一次尝试
“你可以做一个假体手做很多事情，但这并不意味着人凭直觉控制它。不同之处在于，当它在第一次尝试时，仅仅是通过思考，这就是我们的方法所提供的，”Chestek说。“我们第一次尝试时就成功了。参与者不需要学习。所有的学习都发生在我们的算法中。这与其他方法不同。”
虽然研究参与者还不允许把手臂带回家，但在实验室里，他们可以用钳式抓法拾起积木;连续移动他们的拇指，而不是从两个位置中选择;举起球形物体;甚至玩一种叫做“石头、布、剪刀”的石头、布、钳子。“就好像你又有了一只手，”研究参与者乔·汉密尔顿(Joe Hamilton)说。他在2013年的一次烟花事故中失去了一只手臂。“用这只手，你几乎可以做任何你能用真手做的事情。它能让你回归正常的感觉。”
将微小的肌肉移植物变成神经信号放大器
用意念控制的假肢最大的障碍之一是利用一种强大而稳定的神经信号来喂养仿生肢体．一些研究小组——那些在脑机接口领域工作的研究小组——一直深入到最主要的源头——大脑。在与瘫痪的人一起工作时，这是必要的。但这是侵入性的，高风险的。
对于截肢患者来说，外围神经——从大脑和脊髓呈扇形分布的神经网络——很有趣，但他们还没有找到一个长期的解决方案，原因有二:它们携带的神经信号很小。而收集这些信号的其他方法则涉及到强行窃听的探头。这些研究人员有时称之为“神经上的钉子”，会导致疤痕组织，随着时间的推移，疤痕组织会混淆已经很微弱的信号。
密歇根大学的团队想出了一个更好的办法。他们将微小的肌肉移植物包裹在参与者手臂的神经末梢上。这些“再生外周神经界面”(RPNIs)为切断的神经提供新的组织，供其附着。这可以防止神经瘤的生长，这种神经瘤会导致幻肢疼痛。它给神经一个扩音器。肌肉移植物放大了神经信号。两名患者在他们的肌肉移植中植入了电极，电极能够记录这些神经信号，并将它们实时传递到假肢上。
“据我所知，与之前的研究结果相比，我们已经看到了来自神经的最大电压记录，”Chestek说。“在以前的方法中，你可能会得到5微伏或50微伏——非常非常小的信号。我们看到了第一个毫伏信号。现在我们可以获取与单个拇指运动相关的信号，多自由度拇指运动，单个手指。这为上肢假肢使用者打开了一个全新的世界。”而且他们的界面已经持续了好几年。另一些则会在几个月内因疤痕组织而降解。
假肢研究和工业的未来
切斯特克说，这些发现也为该领域开辟了新的可能性。他的专长是将神经信号转化为动作意图的实时机器学习算法。她说:“我们现在发现，神经信号足够好，可以将我们在大脑控制算法中所学到的知识应用到神经控制中。”
这种方法产生的信号比今天的假肢手所能产生的更精细的动作。“其他研究小组也在这方面做出了贡献，但我们已经超越了目前可用的假肢手的能力。我认为这是假肢手公司进一步发展的强大动力，”生物医学工程研究员、论文第一作者菲利普·乌(Philip Vu)说。
临床试验正在进行中。团队正在寻找参与者。“很多时候，我们在实验室做的事情增加了该领域的知识，但你从来没有真正有机会看到它如何影响一个人，”塞德尔纳说。“当你能坐下来，看着一个人用假肢做一些10年前无法想象的事情，这是多么令人欣慰。我为我们的参与者感到高兴，更为未来所有人感到高兴，因为这将有所帮助。”
Chestek补充说:“这将是一种方法，但我们不会停止这方面的工作，直到我们可以完全恢复健全的手的运动。这是神经义肢的梦想。”
来源:密歇根大学
